Schwindung

Schwindung

 

Unter Schwindung im Allgemeinen versteht man die Volumenverringerung eines Materials oder Werkstückes, ohne dass Material entfernt oder Druck ausgeübt wird. Schwindung findet statt durch Trocknung, Abkühlung oder chemische bzw. physikalische Umbaumechanismen im Material. Schwindung durch Trocknung ist oft reversibel, das Material kann also auch quellen.

Die Schwindung von Porzellan ist eine nicht reversible Folge aus dem Sinterungsprozess, in welchem feinkörnige keramische Stoffe und Mineralien erhitzt werden. Bei einer Sinterung liegen die Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der Hauptkomponenten, so dass die Form des Werkstückes erhalten bleibt. Dabei kommt es in der Regel zu einer Schwindung, weil sich die Partikel des Ausgangsmaterials verdichten und Porenräume aufgefüllt werden. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Festphasensintern und Flüssigphasensintern. Bei letzterem kommt es auch zu einer Schmelze. 

Je nach Materialstruktur kann Schwindung auch anisotrop sein (z. B. Holz während der Trocknung). Ist Schwindung inhomogen (z. B. bei Kühlung oder Trocknung von außen nach innen), können Schwindungsrisse entstehen, wenn die im Material entstehenden Zugspannungen dessen Zugfestigkeit übersteigen. Andernfalls können im Material temporäre oder bei Duktilität latente Spannungen entstehen (Eigenspannung). Eine Kenngröße für die Schwindung ist das Schwindmaß.


 

Warum schrumpft bzw. schwindet Porzellan überhaupt?

Im Stadium der Formgebung durch Pressen, Rollen, Drehen oder Gießen ist die Porzellanmasse nass. Entzieht man nun diesem Körper den Feuchtigkeitsanteil, zieht sich der Körper zusammen und verdichtet sich. Im Glattbrand geschieht ein Sinterungsprozess, der nicht reversibel ist. Die Rohstoffe verschmelzen und verdichten ineinander, Wassermoleküle entweichen und die Porenräume werden durch die Mineralienschmelze aufgefüllt.

Je nach Zusammensetzung der Rohstoffe und der angewandten Fertigungsart schwindet bzw. schrumpft der Porzellankörper nach Hans Friedl bis zu 16%. Dieser Erfahrungswert bezog sich wohl eher auf die deutsche Porzellanindustrie, denn international sind uns schon Schwindungen von 20% und mehr begegnet.

Auf dem obigen Bild zeigen wir am Beispiel unseres gerollten Pasta-Tellers mit einem Ø von 26 cm, wie der Entzug von Feuchtigkeit die Proportionen des Porzellans enorm verändert. Auf dem Bild ist ein und derselbe Teller abgebildet! Unten vor dem Brand, nach der Erst-Trocknung und auf ihm stehend das fertige Endprodukt. Während der Fertigung hat der Teller rund 15% an Größe verloren! 

Diese Schwindung genau zu berechnen, um am Ende eine Stapelschüssel oder einen rechteckigen Teller in der gewünschten Größe und Höhe zu erhalten, bei dem einer so aussieht wie der andere, macht die Fertigung von Porzellan so anspruchsvoll. Der Modelleur einer Porzellanform ist in Wirklichkeit ein Kunsthandwerker mit Ausbildung und Fähigkeiten in Mathematik und Physik. 


 

Wird die Qualität von Porzellan durch Schwindung beeinträchtigt? 

Diese Frage lässt sich mit einem klaren "JA" beantworten! Die Schwindung von Porzellan lässt sich zwar aus Erfahrungswerten ableiten, aber niemals exakt berechnen. Die Reaktion der Grundstoffe des Porzellans sind sehr unterschiedlich, weil sie mehrheitlich aus mineralischen Rohstoffen gewonnen werden. So wie kein Diamant einem anderen gleicht, verhält es sich auch mit Quarz, Feltspat und Kaolin. Selbst der Brenngehalt der Befeuerung eines Porzellanofens (Qualität des Gases) nimmt Einfluss auf den Schwindungsgrad.

 

Gute, qualitativ hochwertige Hersteller von Porzellan überwachen in eigenen Labors regelmäßig die Zusammensetzung von Rohstoffen und deren Gehalt. So versucht man u.a. unerwünschten Schwindungstoleranzen aus dem Weg zu gehen und eine konstante Qualität zu gewährleisten.

 

 

Selbst computergesteuerte Kontroll- und Steuerungseinheiten können den Ofen nicht so exakt justieren, dass sich Schwindungstoleranzen vollkommen ausschließen bzw. berechnen lassen. Die Messpunkte solcher Steuerungseinheiten sitzen immer nur in den Außenbereichen der Brandabschnitte und können niemals die Atmosphäre in den Brennwagen erfassen. Schon die Anordnung von Hohl- und Flachteilen beeinträchtigt die Ofenathmosphäre erheblich. 


 

Die Stufen der Schwindung

Abhängig von der Komposition der Rohstoffe und Art der Formgebung kann man die Schrumpfung des Porzellans in folgende Phasen einteilen.

  • Trocknungsprozess 1-3%
  • Biskuitbrand 10-12%
  • Hartbrand 12-15%
  • Trocknungsprozess 3-5%
  • Monobrand 14-22%

 


 

Fazit

 

Es ist dem Material und Brenntemperaturen von mehr als 1.320 °C geschuldetet, dass Porzellan letztlich immer Deformationen erleidet. In den vielen Jahrzehnten unserer Arbeit für und mit Porzellan sind wir noch niemals einem Teller begegnet - egal aus welchem Land oder aus welcher Fabrik -, der unter Anwendung einer mathematischen Genauigkeit vollkommen rund ist! Porzellan hat immer - mal kleine und mal große - Schwindungstoleranzen. Diese lassen sich als Faustformel wie folgt ableiten:

 

 

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